基于數值模擬的隧道光面爆破研究現狀

楊幸福　曹佃光　郭振東　白亞東

摘? 要：爆破是隧道施工中的一種常用手段，但是爆破技術仍然不算成熟，爆破中常出現超欠挖現象，所以爆破技術有很大的提升空間。但是爆破試驗危險性大，成本高，不易實施。現在國內外學者通過數值模擬對爆破技術進行研究，并取得不錯的進展。該文總結了國內外學者的研究成果，了解國內外爆破技術的研究現狀，為隧道施工中的爆破提供一些參考依據。

關鍵詞：隧道;光面爆破;數值模擬

中圖分類號：TD235? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

在隧道爆破施工時，我國常用的一種施工方法是控制爆破法。但是在目前的隧道施工中，施工單位有時會為了工程進度，盲目加大裝藥量、開挖進尺等，從而導致隧道開挖時超欠挖的現象特別明顯。爆破造成的超欠挖，對于施工速度以及施工成本有不可忽視的影響。超欠挖現象同時還會對工程質量造成影響，使支護厚度不足，從而影響工程質量驗收。材料及人員成本也會因超欠挖增加，從而造成工程造價的提高。該文探討了國內外學者的研究成果，了解國內外爆破技術的研究現狀，為工程爆破提供一定的參考。

1 光面爆破研究現狀

光面爆破技術在20世紀 50 年代起，便被國外普遍應用，光面爆破技術的構想由倫德鮑爾和蘭格費爾斯兩位學者最先提出，然后在實驗室進行試驗，使構想得以驗證，隨后該技術就被應用在隧道爆破工程實際中，并且取得成功。美國和加拿大緊隨其后對光面爆破技術進行了深入研究，進一步應用于更多的巖土工程實際項目中。由于光面爆破技術優勢突出，使得爆破后平整度提高，工程成本降低，經濟效益良好。從而光面爆破技術被更多國家相繼引進，也應用于更多的工程中，如礦山、水電站等。

在巖石中炸藥爆炸是高溫高壓、瞬 時的劇烈膨脹的做功過程，由于對于巖石機理的認識不足以及巖體性質復雜，目前還沒有形成完整的巖石爆破作用機理理論。巖石爆破機理包括爆炸產生的應力波與爆生氣體分別作用以及兩種現象共同作用。分別通過爆破荷載作用原理，理論模型以及巖石在爆破下的破壞準則進行研究，20 世紀 80 年代，美國的 sandia 實驗室首先研究了巖石爆破損傷理論，然后損傷力學模型不斷在房屋結構、武器裝備等各個領域得到大量應用。由于實驗室實驗步驟復雜，高精度設備研究成本高，數值模擬便成為了一種高效便捷、節約成本的研究手段。自此，國內外學者對巖石爆破機理、巖石損傷理論進行了大量研究，數值模擬也應用廣泛，對爆破參數的研究等方面有著重要意義。

2 巖石爆破理論研究現狀

Persson 等對巖石進行了爆破現場試驗，研究分析爆炸產生的沖擊波對脆性材料破碎過程的影響與機理。20世紀70年代，Kutter 和 Fairhurst通過爆破研究認為，爆生氣體形成的準靜壓應力場以及爆炸應力波共同作用對于巖石裂縫擴展起促進作用。QZong對緩沖裝藥的光面爆破原理進行研究，光面爆破效果得到提高。SK提出了光面爆破的一種數學模型，達到了圍巖無損壞的控制爆破效果。Kipp 等人使用 K—G 損傷模型，并用材料的體積分數來定義損傷。基于裂紋擴展和威布爾裂紋分布的概念，確定了裂紋擴展和變化的速度方程。Kuszmau提出了爆炸引起的巖石破壞本構模型，可以計算出爆炸引起的碎石斷裂，反映了巖石的脆性斷裂。Fakhimi A 及 Lanari M應用數值模擬研究了爆炸產生氣體對裂縫擴展的作用，同時研究了應力波的反射拉伸從而使巖石產生裂縫的相關破壞機理。Yang. R 等通過實驗，得出應力波產生的疊加、干涉以及反射使孔間裂縫擴展速度發生變化，而且促進裂縫發展。凌偉明等[1]提出一種巖石斷裂的力學模型，對預裂爆破以及光面爆破斷裂的特征進行了研究，對爆生氣體所產生的準靜壓力在巖石爆破的過程中起到的作用進行了分析，并且對它的斷裂機理進行闡述。眾多學者對巖石爆破理論進行了深入的研究，并取得了深入的進展，但是巖石爆破理論的研究仍沒有到頭還需要學者們繼續進行研究探討。

3 隧道爆破數值模擬研究現狀

DAI J對光面爆破中使炮孔分離的因素進行了研究，分析了炮眼堵塞質量對炮孔分離產生的影響。Hinzen K G通過爆破振動的測試與分析技術，對小振動的光面爆破技術進行了研究。Pu C通過對巖石分析試驗，得出邊坡光面爆破中的裝藥線密度與巖石損傷之間的關系。Yamamoto M采用數值模擬、理論計算與試驗的方法， 研究了電子雷管在光面爆破中的使用效果。Wu L應用有限元方法對光面爆破技術進行了研究，使光面爆破技術對復雜的環境更加適應。Liu K Y在實際工程中采用光面爆破技術，進而提出了一種光面爆破參數確定的方法。王輝[2]通過測試分析得到質點振動速度隨距離衰減的規律并提出經驗公式，應用ANSYS/LS—DYNA 有限元軟件建立數值模擬模型，得出路基與開挖平面保持一致時，質點速度衰減緩慢，并且依托安全監測分析，得出裝藥結構以及炸藥單耗等參數的最佳選取方式與取值。張旭[3]研究了存在節理裂隙的隧道施工中，為保證施工安全減少施工災害的發生，應用 CRD 法施工并對隧道爆破參數進行優化，達到削弱破碎帶對于隧道圍巖擾動的效果，為今后類似施工情況的安全進行提供參考依據。盧文波[4]對爆炸應力波的衰減、傳播以及爆炸生成氣體產生的膨脹壓力對于裂縫擴展產生的促進作用進行了研究。楊小林、王樹仁等人[5]提出采用有效彈性模量的方法建立新的數值模擬模型，研究了填塞與不填塞情況下大理巖的破壞損傷過程。數值模擬對于爆破的研究有著重大的意義，它可以在電腦中模擬出實際的爆破情況，從而對實際爆破提供參考依據。Ma G W 等將Johnson—Holmquis 的材料模型使用到 LS—DYNA 中，研究了巖石爆破過程中節理、加載速率等因素導致的巖石裂縫紋路擴展變化情況。夏祥、李海波等人用 LS—DYNA 軟件模擬了巖石爆破過程中裂縫的形成與演化，依據失效準則得出破碎區大小。Zhu Z、Mohanty B 等人應用數值模擬軟件建立巖石爆破的數值模擬模型，對炮孔直徑、邊界條件等隧道爆破參數進行分析，研究其對巖石破壞所產生的影響。Xie L X、Lu W B 等人 在 LS—DYNA 中運用張拉—壓剪損傷模型， 建立深埋隧道數值模擬模型研究其損傷演化機理。

魏晨慧、朱萬成等設置了不同角度的節理及地應力，研究巖石雙孔爆破效果， 得出地應力不利于裂紋的發展，但節理可促進裂紋發展并且存在明顯導向作用。陳少輝 對于寬孔距小抵抗線爆破方案分別進行現場實驗以及利用有限元軟件ANSYS/LS—DYNA 進行數值模擬，驗證孔網參數取值的合理性，取得良好的隧道爆破效果。張志呈提出光面爆破炮孔不耦合裝藥的三種方案，通過對比實驗，測量巖石的損傷作用情況，得出護壁光面爆破是對邊壁成型最有利的結論。楊仁樹對隧道光爆周邊孔連續裝藥以及間隔裝藥的情況下，發生爆破時壓力場的分布情況進行分析，分別找到了這兩種裝藥結構所適用的圍巖。滿柯根據北山坑探光爆實際工程中研究了合理的光面爆破參數。

徐穎根據爆破成縫機理以及爆破塊度的要求，得出最優炮孔密集系數的取值范圍，在工程實踐中也驗證了這一結論。馬芹永研究得出光面孔孔距以及光爆層厚度的確定方式和計算方法。彭剛健對理想狀態巖石爆破的損傷特征進行了研究，得出光爆計算方法，進而應用到工程實際中。并利用數值模擬分析力學過程以及圍巖損傷情況，對爆破的效果進行評價。陳必港研究了空氣間隔裝藥的爆破過程，對最大主應力的云圖進行分析，表明孔心線上產生的主應力波是主要引起對圍巖損傷的因素。

4 隧道爆破研究意義

由于巖石本身的復雜性，對于超欠挖問題很難進行定量分析，爆破參數仍需根據經驗選取。光面爆破技術目前被用來控制隧道開挖質量，光面爆破的特點是周邊眼最后起爆，周邊眼較少。我國開始應用光面爆破技術以來，在交通建設、隧道、地下工程中進行了大量關于光面爆破的研究工作，積累了豐富經驗。但是巖石是非均質各向異性的不連續體，光面爆破機理不成熟，爆破參數還是主要依靠經驗公式、工程類比等。施工技術較落后，以至于在現場時常出現超欠挖現象，如果不能得到合理科學的控制， 將會對工程質量以及安全帶來不利影響。

隧道爆破質量控制主要針對的問題是隧道開挖斷面的超欠挖情況，嚴格地控制欠挖量，盡量地減少超挖量，保證開挖輪廓平整。與此同時，隧道爆破施工中，炸藥爆炸從而產生的應力波以及爆生氣體會對原巖的應力平衡造成破壞，改變巖體內部的應力，造成應力重新分布或局部應力集中。如果局部的應力大于原巖應力，則會對巖體內部造成破壞，這種破壞會從巖體內部向周邊產生擴展，造成巖體破壞，使周邊圍巖產生松動，也會對圍巖穩定性產生不良影響。那么合理的爆破技術與參數設計就可以有效地減少爆破振動對圍巖松動圈產生的影響，可為減少圍巖的擾動以及爆破參數的研究提供參考。

5 結語

目前，隧道施工離不開爆破技術，爆破技術的提高對隧道的施工有重要的意義。數值模擬的應用使隧道爆破技術有了突破性的進展，數值模擬不僅提高了爆破的可操作性，同時大大降低了試驗成本，使得爆破技術可以飛速發展。未來，人們將廣泛應用數值模擬技術，深入解決隧道爆破所造成的的超欠挖問題。

參考文獻

[1]凌偉明，楊永琦.爆生氣體在光面爆破中得作用[J].煤炭學報，1990，15（1）：74-81.

[2]王輝.輕軌隧道開挖引起的鐵路路基與邊坡等構筑物爆破地震效應及其控制[D].湘潭：湖南科技大學，2015.

[3]張旭.保康隧道穿越斷層破碎帶施工控制技術[J].鐵道建筑技術，2018（2）：89-92.

[4]盧文波.巖石爆破中應力波的傳播及其效應研究[D].武漢：武漢大學，1994.

[5]楊小林，王樹仁.巖石爆破損傷數值模擬[J].煤炭學報，2000，25（1）：19-23.

通信作者簡介：白亞東（1995-），男，河北張家口人，在讀碩士研究生，e-mail：1214361386W@qq.com主要從事隧道洞口方面的研究。